CN220187644U - 一种低散斑激光三角测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低散斑激光三角测量系统，包括光源、光强控制器、分光元件、柱面镜、成像透镜、探测器和信号处理单元；光源包括三个波长不同的窄带光源，光强控制器包括两个相同的光强控制器，分别对两个光源的入射光强进行控制，分光元件为光栅，三片柱面镜依次设置于光栅合光后的出射光线方向上；成像透镜的光轴与光栅合光后的出射方向成35°夹角；探测器位于成像透镜的像面处；探测器输出信号至信号处理单元。本实用新型通过光强控制器自适应调节，解决了由于被测物表面粗糙产生较大散斑的问题，并可适应不同被测物体表面，达到最好的去散斑效果，提高了线激光三角测量仪器的测量精度，降低不确定度。

Description

一种低散斑激光三角测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种自适应调节高精度激光三角测量系统，特别涉及一种基于光栅合光的多波长低散斑激光三角测量系统。

背景技术

线激光三角测量仪是基于三角测量原理，能够对被测物体表面高度进行非接触测量的仪器。凭借小体积、高测量精度以及不易受环境影响的优点，其被广泛用于工业检测、机器视觉和航天航空等领域。

在本实用新型作出之前，中国实用新型专利CN 212779226 U提出了一种基于激光三角测量的相机，同样由光源、照明系统、成像系统和探测器组成，整体结构较为紧凑，体积较小，结构设置合理，操作维护使用方便。但是，由于激光特性的影响，仪器在测量表面粗糙度接近波长量级的物体时会产生较大的散斑，而上述现有技术提供的激光三角测量仪在光学系统中未涉及去除散斑影响的结构或元件，因此，将严重影响仪器的测量精度，存在测量结果的不确定性。

发明内容

本实用新型针对现有激光三角测量仪器测量表面较为粗糙的物体时，因激光固有的干涉特性产生较大散斑，提供一种能有效提高测量精度，降低不确定度的自适应调节高精度激光三角测量系统。

实现本实用新型发明目的的技术方案是提高一种低散斑激光三角测量系统，它包括光源、光强控制器、分光元件、柱面镜组、成像透镜、探测器和信号处理单元；所述光源包括三个波长不同的窄带光源，分别为第一光源、第二光源和第三光源，它们的波长依次对应为λ₁、λ₂和λ₃，满足条件λ₂＝405nm，λ₁-λ₂≥λ² ₂/2h，λ₃-λ₂≥λ² ₂/2h，h为被测物体表面平均高度；所述光强控制器包括两个相同的光强控制器，分别对入射光强进行控制，第一光源的出射光入射至第一光强控制器，第三光源的出射光入射至第三光强控制器；所述分光元件为光栅，经第一光强控制器调控后的第一光源与反射光栅表面法线夹角为α₁，第二光源的出射光与反射光栅表面法线夹角为α₂，经第二光强控制器调控后的第三光源与反射光栅表面法线夹角为α₃，满足条件m为光栅级次，d为光栅槽间距，β为经光栅合光后的出射光线与光栅表面法线夹角；所述柱面镜组包括第一柱面镜、第二柱面镜和第三柱面镜，依次设置于光栅合光后的出射光线方向上，其中第一柱面镜和第三柱面镜的母线方向为水平方向，第二柱面镜母线方向与第一柱面镜的母线方向垂直，第一柱面镜的母线方向和第二柱面镜的母线方向与入射光线方向满足左手定律；成像透镜的光轴与光栅合光后的出射光方向成35°夹角；探测器位于成像透镜的像面处；探测器的输出端与信号处理单元连接。

本实用新型通过光强控制器控制不同光源强度的自适应技术方案，通过光强控制器自适应调节入射光的强度，利用合光元件将不同波长的光束汇合在一起，经柱面镜整形后，入射在被测物体上的线光斑由多波长调制而形成较小的散斑，其散射光经成像系统成像在光电探测器上，得到含有较少散斑的图像，可以准确的提取线光斑中心位置，提高测量精度，降低不确定度。

与现有技术相比，本实用新型型的有益效果在于：

1、本实用新型型提供高精度激光三角测量系统，基于多波长融合减弱散斑的思想，通过合光元件将不同波长的光合光，形成含有多波长的光斑。通过减小散斑的干扰，与传统三角测量仪器相比，有效提高测量精度，降低测量不确定度。

2、通过光强控制器自适应调节不同光源入射在合光元件上的强度，可以满足不同测量表面的需求。

3、本实用新型在线激光三角测量结构基础上，在照明系统中加入了光强控制器和合光元件，在结构上减少了系统测量过程中的散斑影响。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种低散斑激光三角测量系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的基于反射光栅合光的多波长照明系统的结构示意图；

图3是基于反射光栅合光原理图；

图4是本实施例提供的基于透射光栅合光的多波长照明系统示意图；

图5是基于透射光栅合光原理图。

图中，1.第一光源；2.第二光源；3.第三光源；4.第一光强控制器；5.第二光强控制器；6.光栅；7.第一柱面镜；8.第二柱面镜；9.第三柱面镜；10.被测面；11.光源；12.照明形系统；13.成像透镜；14.探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步阐述。

实施例1

参见附图1，为本实施例提供的三角测量仪器光学系统的结构示意图：光源11发出的光斑经过照明系统12后投射在被测物面10上，被测物体表面散射或散射的光经成像系统13成像在探测器14上，探测器输出信号至信号处理单元。

参见附图2，为本实施例提供的基于反射光栅合光的多波长照明系统的结构示意图，光源包括三个波长不同的窄带光源，分别为第一光源1、第二光源2和第三光源3，它们的波长依次对应为λ₁、λ₂和λ₃，满足条件λ₂＝405nm，λ₁-λ₂≥λ² ₂/2h，λ₃-λ₂≥λ² ₂/2h，h为被测物体表面平均高度；光强控制器包括两个相同的光强控制器，分别对入射光强进行控制，第一光源的出射光入射至第一光强控制器4，第三光源的出射光入射至第二光强控制器5；分光元件为光栅6，本实施例采用反射光栅，柱面镜包括第一柱面镜7、第二柱面镜8和第三柱面镜9，设置于反射光栅合光后的出射光线方向，其中，第一柱面镜和第三柱面镜的母线方向为水平方向，第二柱面镜母线方向与第一柱面镜的母线方向垂直，第一柱面镜的母线方向和第二柱面镜的母线方向与入射光线方向满足左手定律；经基于反射光栅合光的多波长照明系统投射在被测物面10上。成像透镜的光轴与反射光栅合光后的出射方向成35°夹角。

光源采用波长分别为λ1、λ2、λ3的三个二极管光源从不同方向入射在反射光栅的相同级次m上，光源波长λ2、λ3应满足关系式λ2-λ1≥λ1/h，λ3-λ1≥λ1/h，h为被测物体表面粗糙度。

参见附图3，为反射光栅合光原理图，根据光栅衍射原理d(sinα-sinβ)＝mλ，经第一光强控制器调控后的第一光源1与反射光栅表面法线夹角为α₁，第二光源2的出射光与反射光栅表面法线夹角为α₂，经第二光强控制器调控后的第三光源3与反射光栅表面法线夹角为α₃，当三个激光器入射角满足条件三个入射光经反射光栅后会有相同的出射角，因此完成了不同波长光斑的合光；m为光栅级次，d为光栅槽间距，β为经光栅合光后的出射光线与光栅表面法线夹角。

采用本实施例提供的三角测量仪器光学系统，开始测量时，两个光强控制器不对第一光源、第三光源发出的光斑进行控制，合光后的光斑依次经过第一柱面镜、第二柱面镜、第三柱面镜，在基准距离面的位置形成低散斑长度已知的平行线光斑。线光斑投射在被测物体上，其表面散射光经成像系统，成像在探测器上，探测器输出信号至信号处理单元，计算探测器上图像的散斑对比度；之后，两个光强控制器对第一光源、第三光源的光强不断进行控制，直至探测器上图像的散斑对比度为最低，达到自适应测量。

实施例2

本实施例提供的三角测量仪器光学系统的结构参见附图1。

参见附图4，为本实施例提供的基于透射光栅合光的多波长照明系统的结构示意图，光源包括三个波长不同的窄带光源，分别为第一光源1、第二光源2和第三光源3，它们的波长依次对应为λ₁、λ₂和λ₃，满足条件λ₂＝405nm，λ₁-λ₂≥λ² ₂/2h，λ₃-λ₂≥λ² ₂/2h，h为被测物体表面平均高度；光强控制器包括两个相同的光强控制器，分别对入射光强进行控制，第一光源的出射光入射至第一光强控制器4，第三光源的出射光入射至第二光强控制器5；分光元件为光栅6，本实用新型中的合光元件采用光栅为透射光栅。柱面镜包括第一柱面镜7、第二柱面镜8和第三柱面镜9，设置于反射光栅合光后的出射光线方向，其中，第一柱面镜和第三柱面镜的母线方向为水平方向，第二柱面镜母线方向与第一柱面镜的母线方向垂直，第一柱面镜的母线方向和第二柱面镜的母线方向与入射光线方向满足左手定律；经基于反射光栅合光的多波长照明系统投射在被测物面10上。光源采用波长分别为λ1、λ2、λ3的三个二极管光源从不同方向入射在透射光栅的相同级次m上，如图5所示，根据光栅衍射原理：dsinα＝mλ，当三个激光器入射角满足时，满足上述关系式的三个入射光经透射光栅后会有相同的出射角，完成对不同波长光斑的合光。

Claims (1)

1.一种低散斑激光三角测量系统，其特征在于：它包括光源(11)、光强控制器、分光元件、柱面镜组、成像透镜(13)、探测器(14)和信号处理单元；所述光源包括三个波长不同的窄带光源，分别为第一光源(1)、第二光源(2)和第三光源(3)，它们的波长依次对应为λ₁、λ₂和λ₃，满足条件λ₂＝405nm，λ₁-λ₂≥λ² ₂/2h，λ₃-λ₂≥λ² ₂/2h，h为被测物体表面平均高度；所述光强控制器包括两个相同的光强控制器，分别对入射光强进行控制，第一光源的出射光入射至第一光强控制器(4)，第三光源的出射光入射至第二光强控制器(5)；所述分光元件为光栅(6)，经第一光强控制器(4)调控后的第一光源与光栅表面法线夹角为α₁，第二光源的出射光与反射光栅表面法线夹角为α₂，经第二光强控制器调控后的第三光源与光栅表面法线夹角为α₃，满足条件m为光栅级次，d为光栅槽间距，β为经光栅合光后的出射光线与光栅表面法线夹角；所述柱面镜组包括第一柱面镜(7)、第二柱面镜(8)和第三柱面镜(9)，依次设置于光栅合光后的出射光线方向上，其中第一柱面镜和第三柱面镜的母线方向为水平方向，第二柱面镜母线方向与第一柱面镜的母线方向垂直，第一柱面镜的母线方向和第二柱面镜的母线方向与入射光线方向满足左手定律；成像透镜的光轴与光栅合光后的出射方向成35°夹角；探测器位于成像透镜的像面处；探测器的输出端与信号处理单元连接。